Дослідження причин руйнування та зносів тягових ланцюгів шахтних скребкових конвеєрів і розробка пропозицій щодо підвищення їх надійності

дипломная работа

4.2 Дослідження залежності надійності тягового ланцюга|цепу| від співвідношення величин міцності її елементів та рівня сприйманих навантажень

Проблемі міцності тягових ланцюгів скребкових конвеєрів присвячена велика кількість досліджень.

У роботах проф. Штокмана і його учнів переконливо показано, що основною причиною відмов тягових ланцюгів скребкових конвеєрів з порівняно малою потужністю приводу, є втомне руйнування елементів ланцюга. Природно, що основний напрям переважної більшості робіт був підвищення втомної міцності тягового ланцюга за рахунок конструктивно-технологічних заходів, повязаних з вибором раціональних марок сталей і режимів термічної обробки деталей ланцюга, із створенням принципово нових конструкцій ланцюгів, що володіють підвищеною зносостійкістю і втомною міцністю.

В даний час у звязку з тенденцією до збільшення довжини очисних вибоїв і впровадженням високопродуктивних вуглевидобувних машин сумарна потужність приводу конвеєра СП-63 завдовжки 200-250 метрів більш ніж в 5 разів перевищує потужність приводу конвеєра CКР-20, складаючи 128 квт.

У цих умовах динамічні навантаження, що виникають при раптовому заклинюванні ланцюга, пропорційні зміні кінетичній енергії рухомих мас конвеєра і потенційної енергії деформації його деталей, стають сумірними з середньою міцністю деталей тягового ланцюга.

Тому, як показує досвід експлуатації, в даний час, окрім довговічності, на передній план висувалася проблема забезпечення необхідних показників надійності тягових ланцюгів, залежних головним чином від співвідношення величин двох випадкових параметрів: навантаження і міцності ланцюга, кожен з яких залежить від цілої лави конструктивних, технологічних і експлуатаційних чинників.

Відомо, що все різноманіття навантажень, що сприймаються деталями тягового ланцюга можна підрозділити на дві групи: що постійно діють і екстрені. До першої групи відносяться статичні і динамічні навантаження, що виникають при сталому русі ланцюга в процесі нормальної роботи конвеєра.

До основних причин, що викликають появу екстрених навантажень, відносяться заклинювання ланцюга, порушення зачеплення ланцюга із зірочкою, запуск заповненого вугіллям конвеєра (особливо за відсутності в його приводі турбомуфти) і ін.

Докладний аналіз причин появи і величин всіх типів навантажень, що сприймаються деталями розбірного штампованого ланцюга приведений в роботі, де показано, що найбільш небезпечними, з точки зору міцності ланцюга, є динамічні навантаження при сталому русі ланцюги і екстрені навантаження, що сприймаються при її раптовому заклинюванні. Оскільки причини появи різних типів навантажень і співвідношення між їх величинами не залежать від типа скребкового ланцюга, при аналізі причин руйнування деталей круглоланкових ланцюгів розгледимо лише ці два найбільш небезпечних видів навантаження.

У роботах, як і у всій вище переліченій літературі, присвяченій дослідженню причин руйнування тягових ланцюгів, основним аргументом на користь гіпотези про те, що руйнування ланцюга носить не статичний, а втомний характер, указує той факт, що величина максимального навантаження, що виникає при заклинюванні ланцюга, не перевищує її середньої міцності.

Не можна не відзначити, що якщо, стосовно ланцюгів конвеєра типа СКР, ця гіпотеза не викликає сумнівів, то сам факт того, що величина запасу міцності (підрахована з умови дії максимального навантаження і середньої міцності ланцюга) перевищує одиницю, ще не є гарантією безвідмовної роботи ланцюга.

Річ у тому, що в ланцюзі, що складається з великого числа однакових деталей, що володіють різною міцністю, неминуче є деяка кількість деталей, міцність яких значно поступається середній міцності всього ланцюга.

Оскільки величина екстреного навантаження зворотно пропорційна довжині заклиненої ділянки ланцюга, то руйнування кожної з цих слабких ланок станеться лише в разі поєднання двох випадкових подій, що полягають в тому, що до складу заклиненої ділянки ланцюга повинна потрапити слабка ланка, причому довжина цієї ділянки повинна забезпечити появу сили, що перевищує міцність цієї ланки.

Отже, у звязку з тим, що «випалювання» слабких деталей тягового ланцюга, що розуміється в звичайному сенсі, в початковий період експлуатації конвеєра не відбувається, в її складі довгий час можуть працювати ланки величина коефіцієнта запасу міцності яких значно нижча за весь ланцюг, підрахованого по середній міцності всіх ланок. Тому, з точки зору надійності, критерієм міцності деталі має бути не запас міцності, а вірогідність не руйнування її під дією фіксованого рівня навантаження.

Рівняння для обчислення цієї вірогідності, при відомому співвідношенні між математичним очікуванням і дисперсією міцності деталі і величиною сприйманого нею навантаження, приводиться далі.

У попередньому розділі було показано, що дані дослідження експлуатаційної надійності не суперечать гіпотезі про те, що в даний час, при великій сумарній потужності приводів конвеєра надійність його ланцюгів лімітується саме несприятливим співвідношенням величин екстрених навантажень, частотою їх появи і міцністю деталей ланцюга. Справедливість цієї гіпотези може бути підтверджена і даними аналізу місць і характеру зламу зварних і сполучних ланок, отриманих з місць експлуатації конвеєрів.

Відомо, що відмінною рисою втомних зламів є відсутність видимої на око пластичної деформації і наявність в зламі дрібнозернистої і грубозернистої зон, обумовлених появою спочатку втомної тріщини, а потім крихкого руйнування ослабленого перетину.

Крім того, порівняння місць руйнування сполучних ланок в процесі статичних і втомних випробувань показало, що під дією статичного навантаження воно руйнується по найбільш слабкому перетину (місце переходу циліндра в потовщення кулака), тоді як при випробуваннях на втому, ланку, як правило, руйнується по тілу кулака.

Руйнування ланок зварного ланцюга при тих і інших випробуваннях в основному відбувається в зоні зварного шва і лише в порівняно окремих випадках, коли у складі пятиланкового відрізку зварного ланцюга всі ланки мають якісний зварний шов, при статичному розтягуванні ланка руйнується по основному металу.

На рисунку 4.4 (1) приведена фотографія єдиного серед виявлених сполучних ланок, поломка якого сталася в місці, характерному для втомного руйнування, проте, навіть в цьому випадку, як видно з рисунка 4.4 (2) в місці зламу відсутня ділянка з дрібнозернистою структурою.

Слід зауважити, що ця ланка працювала у складі ланцюга штрекового конвеєра, який, як відомо, в менша мірі схильна до дії екстрених навантажень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отже, фізичний процес, що визначає інтенсивність руйнування деталей тягового ланцюга, може бути представлений у вигляді моделі, показаної на рис 4.5. Вісь абсцис представляє певний відрізок часу роботи конвеєра.

Зигзагоподібна лінія показує характер зміні навантажень, що сприймаються ланцюгом в процесі роботи конвеєра, величини яких залежать від довжини заклиненої ділянки ланцюга. По осі ординат відкладені величини міцності відрізків зварного ланцюга і сполучних ланок, причому, як видно з малюнка, міцність деталей коливається навколо свого середнього значення.

У тому випадку, коли до складу заклиненої ділянки входять ланки, що володіють міцністю меншою, ніж зусилля, що виникає при заклинюванні, відбувається відмова конвеєра, звязана про руйнуванням ланцюга ( X ), інакше станеться лише зупинка ( 0 ) конвеєра (спрацьовування турбомуфти), але руйнування ланцюга не станеться.

Таким чином, малюнок показує, що руйнування сполучних ланок може відбуватися і під дією сили, величина якої значно менше ланцюга, хоча її середня міцність значно перевищує середню міцність сполучних ланок.

Отже, інтенсивність руйнування ланок ланцюга в даних умовах експлуатації може характеризувати взаємодію між міцністю ланки і рівнем навантажень, що діють на нього. У спільному вигляді цей закон взаємодії елементу з навколишнім середовищем може бути знайдений шляхом наступних міркувань.

Вірогідність не руйнування елементу P(t) може бути представлена у вигляді суми творів вірогідності не руйнування елементу під дією n перевантажень R на вірогідність появи цих n перевантажень за проміжок часу t:

(4.1)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Першим співмножником є вірогідність не руйнування елементу при n-кратній появі сили R. Другий - вірогідність появи за час t рівно n перевантажень рівня R.

Тоді відповідно до формули (4.1)

*Оскільки, , то

Нижче розглянута методика визначення параметрів даної залежності. Зараз лише відмітимо, що отримане рівняння враховує як рівень і інтенсивність появи навантаження, так і міцностні властивості елементу, що сприймає ці навантаження, тому рівняння (4.1) може бути базою для апріорної оцінки надійності нового ланцюга.

Таким чином, проведений аналіз дозволяє стверджувати, що основною причиною руйнування тягових ланцюгів пересувних скребкових конвеєрів є невідповідність міцності деталі ланцюга сприйманим піковим навантаженням, що виникають при заклинюванні тягового ланцюга.

Приведене міркування зовсім не заперечує можливості втомного руйнування ланцюга, наявність якого підтверджується характером місця руйнування на деталях ланцюгів штрекових конвеєрів, проте, найбільше число руйнувань ланцюга відбувається все-таки в результаті дії екстремальних навантажень і це необхідно враховувати при розробці заходів, направлених на підвищення надійності тягових ланцюгів.

Кажучи про конструктивні методи забезпечення необхідного рівня надійності устаткування, слід зазначити, що вирішення даної проблеми звязане з цілою лавою труднощів, подолання яких часом неможливе за допомогою звичайних аналітичних методів міцності вузлів і деталей машин.

Аналітичні розрахунки дозволяють отримати величини середніх і екстремальних значень навантажень при будь-яких режимах роботи конвеєра, проте, розрахунок запасів міцності деталей ланцюга з умови дії середніх навантажень не може забезпечити їх надійної роботи в умовах частої появи екстремальних навантажень. Виготовлення деталей, здатних витримати максимальні величини цих перевантажень, привело б до невиправданого збільшення металоємності і ваги ланцюга.

Отже, з погляду надійності критерієм працездатності деталі має бути не запас міцності, а вірогідність її руйнування, обчислена з урахуванням неминучих коливань величин як міцності, так і навантажень, що діють.

Природно, що при такому підході ми свідомо допускаємо можливість появи певної кількості відмов ланцюга при несприятливому поєднанні значень випадкових величин. Проте, в цьому випадку зявляється можливість проведення цілої низки конструктивних заходів, що знижують вірогідність появи аварійних ситуацій.

Ефективність цих заходів буде тим вище, чим точніше і достовірніше будуть дані про якість деталей і частоту появи і величини екстрених навантажень.

При визначенні цієї залежності необхідно враховувати, що міцність деталей ланцюга є випадковою величиною, залежною від цілої лави чинників, повязаних з властивостями матеріалу, технологією і ефективністю контролю якості виготовлення.

Приймемо, що навантаження R і міцність сполучної ланки є випадковим величиною і характеризується функцією розподілу щільності вірогідності навантаження і щільністю вірогідності міцності (рис.4.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Умова безвідмовної роботи конвеєра (по міцності сполучних ланок тягового ланцюга) характеризується відсутністю граничного стану, коли величина максимального статичного навантаження перевищує міцність сполучних ланок і визначається нерівністю

Вірогідність появи навантаження, величина якого знаходиться в інтервалі , визначається з вираження:

Вірогідність руйнування сполучної ланки при дії навантаження рівня R визначається шляхом інтеграції щільності вірогідності міцності:

Вірогідність руйнування ланки при навантаженні рівня R з урахуванням вірогідності її появи визначається як вірогідність складної події у вигляді твору:

Вірогідність відмови ланцюга для всієї сукупності можливих навантажень визначається шляхом інтеграції попереднього вираження.

У спільному випадку нижні межі інтеграції можуть бути покладені рівними, що приводить до універсального рівняння.

Для приведення цього виразу до вигляду зручнішому для практичних розрахунків проведемо центрування щільності вірогідності та , тобто перенесемо початок координат для кожної з щільності в крапки, відповідні математичним очікуванням навантаження і міцності .

В результаті отримуємо:

де

- математичне очікування навантаження і міцності.

Ввівши змінну , отримуємо:

У цьому виразі другий інтервал має вже постійну межу інтеграції , що визначається лише взаємним розташуванням щільності, тому можна змінити порядок інтеграції.

Внутрішній інтеграл є функцією змінної (y). Позначимо цю функцію .

Де (y) є функцією щільності вірогідності, відповідною композиції двох щільності вірогідності та .

Таким чином, для оцінки вірогідності пориву сполучної ланки потрібно знати розподіл випадкової величини (y), визначуваної нерівністю.

Отже, вірогідність відмови конвеєра в спільному випадку визначається вираженням:

Як окремий випадок розгледимо визначення вірогідності відмови конвеєра за умови, що навантаження і міцність підкоряються нормальним законам розподілу:

,

Як відомо, композиція двох нормальних законів розподілу для суми алгебри двох випадкових величин включає нормальний закон розподілу з наступними характеристиками:

1. Математичним очікуванням

2. Середньоквадратичним відхиленням

Щільність вірогідності в цьому випадку має вигляд:

Отже, вірогідність відмови конвеєра для нормальних законів розподілу навантаження і міцності може бути знайдена з вираження

(4.2)

Як відомо

але

Вираження (4.2) може бути приведене до вигляду

Використовуючи властивість функції Лапласа, що полягає в тому що і основне рівняння безвідмовності , отримуємо рівняння для розрахунку вірогідності не руйнування деталей тягового ланцюга:

Отримане співвідношення дозволяє оцінити вірогідність не руйнування деталі при відомих законах розподілу її міцності і сприйманих навантажень.

Проте, як указувалося вище, визначення закону розподілу експлуатаційних навантажень, що сприймаються деталями скребкового ланцюга, є вельми важким завданням.

Тому для порівняльної оцінки міцностних властивостей деталей тягового ланцюга розглянемо випадок малої мінливості навантажень, що сприймаються ланцюгом (рис.4.7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В цьому випадку вираження для оцінки вірогідності не руйнування деталей тягового ланцюга приймає вигляд

(4.3)

Формула указує основні напрями подальших досліджень, необхідних для знаходження причин малої надійності деталей тягового ланцюга, що є основою при розробці заходів, що забезпечують підвищення рівня надійності тягового ланцюга в цілому.

Перші дві величини залежать від досконалості конструкції, технології виготовлення і методів контролю якості деталей тягового ланцюга.

Третя - від цілої лави чинників, основними з яких є: відстань від місця заклинювання до провідної голівки конвеєра, кількості встановлених на нім приводних двигунів, жорсткості системи та ін.

Делись добром ;)